Chiller-Fancoil-System: Funktionsprinzip und Aufbau des Temperaturregelungssystems

Das multizonale Klimasystem Chiller-Fancoil ist dazu bestimmt, komfortable Bedingungen in einem Gebäude mit großer Fläche zu schaffen. Es arbeitet kontinuierlich – im Sommer versorgt es mit Kälte, im Winter mit Wärme, indem es die Luft auf die eingestellte Temperatur erwärmt. Es lohnt sich, sich mit seiner Konstruktion vertraut zu machen, stimmen Sie zu?

In dem von uns vorgestellten Artikel werden die Konstruktion und die Komponenten des Klimasystems detailliert beschrieben. Die Anschlussmöglichkeiten der Geräte werden aufgeführt und im Detail erläutert. Wir erklären, wie dieses Temperaturregelungssystem aufgebaut ist und funktioniert.

Bestandteile der Chiller-Fancoil-Schaltung

Die Rolle des Kühlgeräts übernimmt der Chiller – ein Außengerät, das Kälte erzeugt und über Rohrleitungen mit zirkulierendem Wasser oder Ethylenglykol zuführt. Dadurch unterscheidet es sich von anderen Split-Systemen, bei denen Freon als Wärmeträger verwendet wird.

Für den Transport und die Übertragung von Freon, dem Kältemittel, sind teure Kupferrohre erforderlich. Hier hingegen bewältigen Wasserrohre mit Wärmeisolierung diese Aufgabe hervorragend. Auf seine Funktion hat die Außentemperatur keinen Einfluss, während Split-Systeme mit Freon bereits bei −10° ihre Leistungsfähigkeit verlieren. Das innere Wärmetauscheraggregat ist der Fancoil.

Er nimmt die Flüssigkeit mit niedriger Temperatur auf, gibt dann die Kälte an die Raumluft ab, während die erwärmte Flüssigkeit zurück zum Chiller gelangt. Fancoils werden in allen Räumen installiert. Jeder von ihnen arbeitet nach einem individuellen Programm.

Die Hauptelemente des Systems sind die Pumpstation, der Chiller und der Fancoil. Der Fancoil kann in großem Abstand zum Chiller installiert werden. Alles hängt von der Leistungsfähigkeit der Pumpe ab. Die Anzahl der Fancoils ist proportional zur Leistung des Chillers.

Üblicherweise werden solche Systeme in Hypermärkten, Einkaufszentren, unterirdischen Bauwerken und Hotels eingesetzt. Manchmal werden sie als Heizung genutzt. Dann wird über den zweiten Kreislauf erwärmtes Wasser zu den Fancoils geleitet oder das System auf einen Heizkessel umgeschaltet.

Konstruktion des Systems

Nach der konstruktiven Ausführung können Chiller-Fancoil-Systeme 2-Rohr- und 4-Rohr-Systeme sein. Nach der Installationsart unterscheidet man Wandgeräte, Standgeräte und Einbaugeräte.

Das System wird nach folgenden grundlegenden Parametern bewertet:

• Leistung bzw. Kälteleistung des Chillers;
• Leistung der Fancoils;
• der Effizienz der Luftbewegung;
• der Länge der Hauptleitungen.

Der letzte Parameter hängt von der Leistung der Pumpenanlage und der Qualität der Rohrisolierung ab.

Anschluss von Chiller und Fancoil

Das reibungslose Funktionieren des Systems erfolgt durch die Verbindung des Chillers mit einem oder mehreren Fancoils über wärmegedämmte Rohrleitungen. Fehlt diese Dämmung, sinkt der Wirkungsgrad des Systems erheblich.

Jeder Fancoil verfügt über eine individuelle Anschlussarmatur, mit der seine Leistung sowohl bei der Wärme- als auch bei der Kälteerzeugung geregelt wird. Der Kältemitteldurchfluss in der einzelnen Einheit wird über spezielle Armaturen – Absperr- und Regelarmaturen – geregelt.

Um das gekühlte Wasser zum Wärmetauscher zu leiten, wird ein Rohr an den Fancoil angeschlossen, das andere – zum Abführen der Flüssigkeit – an den Chiller. Die Systemkonfiguration erlaubt eine Vermischung von Kältemittel mit dem Wärmeträger.

Wenn eine Vermischung von Wärmeträger und Kältemittel nicht zulässig ist, wird das Wasser in einem separaten Wärmetauscher erwärmt und das Schema mit einer Umwälzpumpe ergänzt. Um eine stufenlose Regelung des Arbeitsflüssigkeitsstroms durch den Wärmetauscher zu gewährleisten, wird bei der Montage der Anschlussverschaltung ein Dreiwegeventil verwendet.

Ist im Gebäude ein Zweirohrsystem installiert, erfolgen sowohl Kühlung als auch Heizung durch den Kühler – den Chiller. Um die Heizeffizienz mittels der Fancoils in der kalten Jahreszeit zu erhöhen, wird ergänzend zum Chiller ein Kessel in das System integriert.

Im Gegensatz zu einem Zweirohrsystem mit einem Wärmetauscher sind in einem Vierrohrsystem zwei dieser Einheiten verbaut. In diesem Fall kann das Fancoil sowohl zum Heizen als auch zum Kühlen verwendet werden, wobei es im ersten Fall die im Heizsystem zirkulierende Flüssigkeit nutzt.

Einer der Wärmetauscher wird an die Rohrleitung mit Kältemittel angeschlossen, der zweite an das Rohr mit dem Wärmeträger. Jeder Wärmetauscher verfügt über ein separates Ventil, das mit einer speziellen Fernbedienung gesteuert wird. Wenn ein solches Schema angewendet wird, vermischt sich das Kältemittel niemals mit dem Wärmeträger.

Da die Temperatur des Wärmeträgers im System während der Heizperiode zwischen 70 und 95 °C schwankt und für die meisten Fancoils den zulässigen Wert übersteigt, wird sie vorab gesenkt. Daher durchläuft das heiße Wasser, das vom Fernwärmenetz zu den Fancoils gelangt, eine spezielle Wärmeübergabestation.

Hauptklassen der Chiller

Die Einteilung der Kältemaschinen in Klassen erfolgt nach der Art des Kältekreislaufs. Danach können alle Kältemaschinen in zwei Klassen eingeteilt werden – Absorptions- und Kompressionskältemaschinen.

Aufbau des Absorptionsaggregats

Eine Absorptionskältemaschine (AKM) verwendet für den Betrieb eine binäre Lösung aus Wasser und Lithiumbromid – den Absorber. Das Funktionsprinzip ist die Aufnahme von Wärme durch das Kältemittel in der Phase der Umwandlung von Dampf in flüssigen Zustand.

Solche Aggregate nutzen die Wärme, die beim Betrieb von Industrieanlagen anfällt. Dabei löst das absorbierende Mittel mit einem Siedepunkt, der deutlich über dem des Kältemittels liegt, dieses gut auf.

Das Funktionsschema einer Kältemaschine dieser Klasse ist wie folgt:

1. Die Wärme von einer externen Quelle wird dem Generator zugeführt, wo sie das Gemisch aus Lithiumbromid und Wasser erhitzt. Beim Sieden der Arbeitsmischung verdampft das Kältemittel (Wasser) vollständig.
2. Der Dampf gelangt in den Kondensator und wird flüssig.
3. Das flüssige Kältemittel gelangt in die Drossel. Hier wird es abgekühlt und der Druck sinkt.
4. Die Flüssigkeit gelangt in den Verdampfer, wo das Wasser verdampft und seine Dämpfe von der Lithiumbromidlösung – dem Absorber – aufgenommen werden. Die Raumluft wird gekühlt.
5. Das verdünnte Absorptionsmittel wird im Generator erneut erhitzt und der Zyklus beginnt von neuem.

Ein solches Klimatisierungssystem hat sich noch nicht weit verbreitet, ist aber vollkommen im Einklang mit modernen Tendenzen in Bezug auf Energieeinsparung und hat daher gute Perspektiven.

Konstruktion von Dampfkompressionsanlagen

Die meisten Kälteanlagen arbeiten auf der Basis der Kompressionskühlung. Die Kühlung erfolgt durch ununterbrochene Zirkulation, Verdampfung bei niedrigen Temperaturen, Druckabbau und Kondensation des Kältemittels in einem geschlossenen System.

Zur Konstruktion einer Kältemaschine dieser Klasse gehören:

• Verdichter;
• Verdampfer;
• Kondensator;
• Rohrleitungen;
• Durchflussregler.

Das Kältemittel zirkuliert in einem geschlossenen Kreislauf. Dieser Prozess wird vom Kompressor gesteuert, in dem das gasförmige Medium mit niedriger Temperatur (-5⁰) und einem Druck von 7 atm komprimiert wird, wobei die Temperatur auf 80⁰ ansteigt.

Trockener Sattdampf im komprimierten Zustand gelangt in den Kondensator, wo er bei konstantem Druck auf 45⁰ abgekühlt und in Flüssigkeit umgewandelt wird.

Der nächste Punkt auf dem Weg ist das Drosselventil (Reduzierventil). In dieser Stufe wird der Druck von dem der Kondensation entsprechenden Wert auf die Grenze gesenkt, bei der die Verdampfung stattfindet. Gleichzeitig sinkt die Temperatur auf etwa 0⁰. Die Flüssigkeit verdampft teilweise und es entsteht Nassdampf.

Das Schema zeigt einen geschlossenen Kreislauf, nach dem die Dampfkompressionsanlage arbeitet. Im Kompressor (1) wird der feuchte Sattdampf komprimiert, bis er den Druck p1 erreicht. Im Kompressor (2) gibt der Dampf Wärme ab und wird zu Flüssigkeit. Im Drosselventil (3) werden sowohl der Druck (p3 – p4) als auch die Temperatur (T1-T2) gesenkt. Im Wärmetauscher (4) bleiben der Druck (p2) und die Temperatur (T2) konstant.

Im Wärmetauscher – Verdampfer angekommen, gibt das Arbeitsmedium, ein Gemisch aus Dampf und Flüssigkeit, Kälte an das Wärmeträgermedium ab und entzieht dem Kältemittel Wärme, wobei es gleichzeitig getrocknet wird. Dieser Prozess findet bei konstanten Druck- und Temperaturwerten statt. Pumpen fördern die Flüssigkeit mit niedriger Temperatur zu den Fan-Coil-Geräten. Nach diesem Weg kehrt das Kältemittel zum Kompressor zurück, um den gesamten Dampfkompressionskreislauf erneut zu durchlaufen.

Spezifik des Dampfkompressionschillers

Im Winter kann der Kühler im Modus der natürlichen Kühlung arbeiten – dies wird als Freecooling bezeichnet. Dabei kühlt das Wärmeträgermedium die Außenluft. Theoretisch kann die freie Kühlung bei einer Außentemperatur unter 7⁰C genutzt werden. In der Praxis liegt die optimale Temperatur dafür bei 0⁰.

Bei Einstellung auf den Modus „Wärmepumpe" arbeitet der Kühler für die Heizung. Der Kreislauf erfährt Änderungen, insbesondere tauschen Kondensator und Verdampfer ihre Funktionen. In diesem Fall muss das Wärmeträgermedium nicht gekühlt, sondern erwärmt werden.

Am einfachsten sind Monoblock-Kühler. Bei ihnen sind alle Elemente kompakt zu einer Einheit zusammengefasst. Sie werden zu 100 % komplettiert bis hin zur Befüllung mit Kältemittel verkauft.

Diese Betriebsart wird am häufigsten in großen Büros, öffentlichen Gebäuden und Lagerhallen verwendet. Der Kühler ist eine Kältemaschine, die dreimal mehr Kälte erzeugt, als sie verbraucht. Seine Effizienz als Heizgerät ist noch höher – er verbraucht viermal weniger elektrische Energie, als er Wärme abgibt.

Worin unterscheidet sich das Kältemittel vom Wärmeträger?

Das Kältemittel ist ein Arbeitsmedium, das während des Kältekreislaufs in verschiedenen Aggregatzuständen bei unterschiedlichen Drücken vorliegen kann. Das Kühlmittel ändert seinen Aggregatzustand nicht. Seine Funktion besteht darin, Kälte oder Wärme über eine bestimmte Entfernung zu transportieren.

Der Transport des Kältemittels wird vom Kompressor gesteuert, der des Kühlmittels von einer Pumpe. Die Temperatur des Kältemittels kann sowohl unter den Siedepunkt fallen als auch darüber steigen. Das Kühlmittel arbeitet im Gegensatz zum Kältemittel ständig bei Temperaturen, die bei dem aktuellen Druck nicht über den Siedepunkt steigen.

Rolle des Fancoils im Klimasystem

Der Fancoil ist ein wichtiges Element einer zentralen Klimaanlage. Eine andere Bezeichnung ist Ventilatorkonvektor. Wenn man den Begriff Fan-Coil wörtlich aus dem Englischen übersetzt, bedeutet er Ventilator-Wärmetauscher, was am genauesten sein Funktionsprinzip beschreibt.

Die Konstruktion des Fancoils umfasst ein Netzwerkmodul, das den Anschluss an die zentrale Steuereinheit ermöglicht. Ein robustes Gehäuse verbirgt die Bauteile und schützt sie vor Beschädigung. Außen ist eine Platte angebracht, die die Luftströme gleichmäßig in verschiedene Richtungen verteilt.

Der Zweck des Geräts besteht darin, ein Medium mit niedriger Temperatur aufzunehmen. Zu seinen Funktionen gehören sowohl die Rückkühlung als auch die Kühlung der Luft im Raum, in dem es installiert ist, ohne dass Luft von außen zugeführt wird. Die Hauptelemente des Fancoils befinden sich in seinem Gehäuse.

Dazu gehören:

• Radial- oder Querstromventilator;
• Wärmetauscher in Form einer Schlange, bestehend aus einem Kupferrohr und aufgesetzten Aluminiumlamellen;
• Staubfilter;
• Steuereinheit.

Neben den Hauptbaugruppen und -teilen umfasst die Konstruktion des Fancoils eine Auffangwanne für Kondensat, eine Pumpe zum Abpumpen desselben und einen Elektromotor, mit dem die Luftklappen gedreht werden.

Auf dem Foto ist ein Kanal-Fancoil der Marke Trane zu sehen. Die Leistung der zweireihigen Wärmetauscher beträgt 1,5 – 4,9 kW. Das Gerät ist mit einem geräuscharmen Ventilator und einem kompakten Gehäuse ausgestattet. Es lässt sich hervorragend hinter falschen Paneelen oder einer abgehängten Deckenkonstruktion unterbringen.

Je nach Montageart gibt es Decken-Fancoils, Kanal-Fancoils (montiert in Kanälen, über die die Luft zugeführt wird), rahmenlose Fancoils (alle Elemente auf einem Rahmen montiert) sowie Wand- oder Konsolen-Fancoils.

Decken-Fancoils sind am beliebtesten und gibt es in zwei Ausführungen: Kassettengeräte und Kanalgeräte. Erstere werden in großen Räumen mit abgehängten Decken montiert. Das Gehäuse befindet sich hinter der abgehängten Konstruktion. Sichtbar bleibt die untere Platte. Sie können die Luftströme nach zwei oder allen vier Seiten verteilen.

Wenn die Anlage ausschließlich zur Kühlung genutzt werden soll, ist der beste Platz dafür die Decke. Wenn die Konstruktion zum Heizen vorgesehen ist, wird das Gerät an der unteren Wand angebracht.

Der Kühlbedarf besteht nicht immer. Daher wird, wie im Schema zur Funktionsweise des Chiller-Fancoil-Systems zu sehen, in das Hydraulikmodul ein Behälter integriert, der als Kältemittelspeicher dient. Die thermische Ausdehnung des Wassers wird durch einen Ausdehnungsbehälter ausgeglichen, der an die Vorlaufleitung angeschlossen ist.

Die Fancoils werden sowohl im manuellen als auch im automatischen Modus gesteuert. Wenn der Gebläsekonvektor zum Heizen arbeitet, wird im manuellen Modus die Zufuhr von kaltem Wasser unterbrochen. Beim Kühlbetrieb wird das heiße Wasser abgesperrt und der Weg für das Kühlwasser freigegeben.

Fernbedienung zur Steuerung sowohl des 2-Rohr- als auch des 4-Rohr-Fancoils. Das Modul wird direkt an das Gerät angeschlossen und in dessen Nähe platziert. Davon werden das Bedienfeld und die Stromkabel angeschlossen.

Für den Automatikbetrieb wird am Bedienfeld die gewünschte Raumtemperatur eingestellt. Die Aufrechterhaltung des Sollwerts erfolgt über Thermostate, die den Kreislauf der Wärmeträger – kalt und heiß – korrigieren.

Der Vorteil des Fancoils liegt nicht nur in der Verwendung eines sicheren und kostengünstigen Wärmeträgers, sondern auch in der schnellen Behebung von Störungen wie Wasserlecks. Dies senkt die Servicekosten. Der Einsatz dieser Geräte ist die energieeffizienteste Art, ein angenehmes Raumklima im Gebäude zu schaffen.

Da jedes große Gebäude Zonen mit unterschiedlichen Temperaturanforderungen hat, sollte jede Zone von einem separaten Fancoil oder einer Gruppe von Fancoils mit identischen Einstellungen bedient werden.

Die Anzahl der Geräte wird in der Planungsphase rechnerisch ermittelt. Die Kosten der einzelnen Komponenten des Chiller-Fancoil-Systems sind recht hoch, daher müssen sowohl die Berechnung als auch die Planung des Systems so genau wie möglich durchgeführt werden.

Fazit und nützliche Videos zum Thema

Video #1. Alles über Aufbau, Funktionsweise und Wirkprinzip des Temperaturregelsystems:

Video #2. Informationen zur Installation und Inbetriebnahme eines Chillers:

Die Installation eines Chiller-Fancoil-Systems ist in mittleren und großen Gebäuden mit einer Fläche von mehr als 300 m² sinnvoll. Für ein Privathaus, selbst ein riesiges, ist der Einbau eines solchen Temperaturregelsystems eine teure Angelegenheit. Andererseits sorgen solche finanziellen Investitionen für Komfort und Wohlbefinden, und das ist viel wert.

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